Linux 网络基础：协议、模型与地址管理详解

• 应用层：解决传输数据的目的，进行数据分析处理，达到业务目的。
• 传输层和网络层：处理数据传输遇到的问题，保证可靠性。
• 数据链路层和物理层：负责数据真正传输过程，完成以太网和局域网通信。

下三层处理通信细节，应用层处理业务细节。一般而言，主机内核实现了传输层到物理层，路由器实现了网络层到物理层，交换机实现了数据链路层到物理层，集线器只实现了物理层。

三、网络传输基本流程

局域网内的主机通过路由器和交换机连接，通信本质是两个协议栈之间的交互。以下是两台主机通过 TCP/IP 协议进行文件传输的过程。

1. 数据的封装和分用

不同协议层对数据包有不同称谓：传输层叫段 (segment)，网络层叫数据报 (datagram)，链路层叫帧 (frame)，应用层叫请求和响应。

应用层数据通过协议栈发送时，每层都要加上一个数据首部 (header)，称为封装 (Encapsulation)。报头信息包含首部长度、载荷长度、上层协议类型等。

数据封装成帧发到传输介质，到达目的主机后每层剥掉相应首部，根据"上层协议字段"将数据交给对应上层协议处理。

问题：每一协议层的数据包是什么？ 答案：数据包 = 报头 + 有效载荷

问题：数据如何封装？ 当应用层想将一段数据交给另一主机时，TCP/IP 软件的四层协议从上至下分别对该数据包进行封装。

1. 应用层添加应用层协议报头，交给传输层。
2. 传输层添加传输层协议报头，交给网络层。
3. 网络层添加网络层协议报头，交给链路层。
4. 链路层添加链路层协议报头，封装完毕。

问题：协议的共性是什么？ 几乎所有协议都要解决两个问题：

1. 如何将报头和有效载荷分开（解包）。
2. 确认有效载荷交付给上层哪个协议（分用）。

报头本质也是数据，一般通过位段实现；有效载荷则是除当前新增报头以外的数据。

问题：数据包如何分用？ 对端主机收到数据包后，经过 TCP/IP 四层协议进行解包。

1. 链路层分离链路层报头，剩余数据交给网络层。
2. 网络层分离网络层报头，剩余数据交给传输层。
3. 传输层分离传输层报头，剩余数据交给应用层。
4. 应用层分离应用层报头，解包分用彻底完成。

问题：如何分离报头与有效载荷？ 需知道报头和有效载荷的界限。因为报头在最前端，只要知道报头大小即可确定界限。 获取方式有两种：

1. 定长报头：包头大小固定，收发双方约定，如数据报。
2. 自描述字段：报头中提供表示长度的字段，如报文长度。

2. 碰撞

问题：什么是碰撞？ 局域网中，若多台主机同时发送数据，数据互相干扰，称为数据碰撞。

问题：如何判断是否发生碰撞？ 采用广播方式发送，主机也能收到自己发送的数据。对比收到的数据和之前发送的数据，若不一致，说明发生了碰撞。

问题：发生碰撞后如何处理？ 等待一段时间后再次发送。从系统角度看，局域网是临界资源，碰撞检测和避免本质是互斥访问。

问题：主机如何判断数据是否是发给自己的？ 数据包带有源 MAC 和目的 MAC 地址。主机收到后对比目的 MAC 地址和自己的 MAC 地址，不一致则丢弃。

局域网通信原理总结：局域网中存在多台主机直接通信，可能发生数据碰撞，影响其他主机通信，因此一个局域网可看作一个碰撞域。碰撞后的数据即为垃圾数据量。局域网内所有主机都能收到发出去的数据，包括发送方本身。发送方会将收到的数据与发出数据对比，若不同代表发生碰撞。碰撞后不会立即重写发送，而是等待一段时间再重发，这就是碰撞避免算法。交换机在局域网中的作用是划分碰撞域，降低碰撞几率。

3. 跨网络通信

跨网络通信指分别处于不同局域网的两台主机之间通信。两个局域网之间通过路由器通信，中间可能经过多台路由器。

问题：路由器如何知道数据应该转发到哪一个局域网？ 路由器通过 IP 地址确定转发方向。互联网中每台主机有唯一 IP 地址。数据封装时，网络层报头包含源 IP 和目的 IP。 数据每经过一个路由器，路由器分析上一站来源，根据目的 IP 选择下一站。最终能走到目的地，这个一直变化的地址是 MAC 地址。 数据包在路由器中不断调整 MAC 帧协议报头，源 MAC 和目的 MAC 不断变化，但源 IP 和目的 IP 不变。IP 层往上的数据报头信息不变，变的是 IP 层往下的协议报头信息。 IP 地址的意义在于路径选择，只要有源 IP 和目的 IP，路由器就能指定越来越靠近目的地的下一站，无需关心底层通信协议差异。

四、网络中的地址管理

1. IP 地址

IP 协议有两个版本：IPv4 和 IPv6。默认指 IPv4。

IP 地址用来标识网络中唯一的一台主机。IPv4 是 4 字节（32 位）整数，IPv6 是 16 字节（128 位）整数。通常使用"点分十进制"字符串标识，如 192.168.0.1，每个数字范围 0-255。IP 地址可手动静态分配，也可由路由器动态分配。

Linux 中查看 IP 地址 输入 ifconfig 指令查看当前主机配置信息，其中 inet 对应的就是当前主机的 IP 地址。

Windows 中查看 IP 地址 在命令行中输入 ipconfig 指令。

Linux 中查看 MAC 地址 输入 ifconfig 指令，其中 ether 对应的就是当前主机的 MAC 地址。